Równowaga kwasowo-zasadowa: System buforowy z wodorowęglanem we krwi

Dlaczego poziom pH krwi musi utrzymywać się w wąskim zakresie

Normaalny poziom pH krwi tętniczej wynosi zwykle od 7,35 do 7,45, zdominowany blisko 7,40. Jest to niezwykle wąska przestrzeń: spadek poniżej 6,8 lub wzrost powyżej 7,8 jest zazwyczaj niespójny z przeżyciem przez więcej niż krótki czas. Powód tej wrażliwości leży w chemii białek. Enzymy, hemoglobiny, kanały jonowe i białka strukturalne wszystkie polegają na precyzyjnie złożonych kształtach trójwymiarowych utrzymywanych dzięki wiązaniom wodorowym i interakcjom jonowym między obciążonymi aminokwasami bocznymi. Stężenie jonów wodoru bezpośrednio wpływa na to, ile z tych łańcuchów bokowych jest protonowanych, więc nawet niewielkie zmiany pH zmieniają rozkład ładunków białek, zakłócają złożenie i mogą wyłączyć aktywność katalityczną. Dostarczanie tlenu również jest wrażliwe na pH: poprzez efekt Bohra, niższego pH krwi przesunięcie krzywej dysocjacji tlenu-hemoglobina preferuje uwalnianie tlenu do tkanek, a wyższe pH robi to odwrotnie, zwężając chwyt hemoglobiny za tlenem. Metabolizm stale generuje kwasy, około 15 000 do 20 000 milimól dwutlenku węgla dziennie tylko z powodu oddychania komórkowego, a także mniejsze ilości kwasów stałych, takich jak kwas mlekowy i ketooctowy, z różnych szlaków metabolicznych. Bez ciągłego buforowania i eliminacji ta obciążenie kwasowa szybko przytłoczy naturalną chemię krwi. Warstwowe mechanizmy obronne organizmu, bufory chemiczne działające w ciągu ułamka sekundy, płuca dostosowujące się w ciągu minut oraz nerki precyzujące w ciągu godzin do dni, współpracują tak, że mimo tej nieustającej produkcji kwasów zdrowa zawartość pH krwi rzadko odbiega poza ten wąski zakres fizjologiczny.”]} pango:{

Chemia buforu węglanowego

Dominujący bufor w surowicy krwi to para kwasu węglowego i wodorowęglanu, opisana przez równanie Hendersona-Hasselbalcha, zapisane słownie jako: pH równe pKa plus logarytm z ilorazu stężenia wodorowęglanu do rozpuszczonego kwסu węglowego. Dwutlenek węgla rozpuszczony w krwi reaguje z wodą, katalizowana przez enzym anhydrozą węgla, tworząc kwas węglowy, który szybko dysocjuje na jon wodorowy i jon wodorowęglanowy. pKa tego układu kwasu węglowego w krwi wynosi około 6,1. Ponieważ normalne stężenie w surowicy wodorowęglanu mieści się w okolicach 24 mEq na litr, a rozpuszczony kwס węglowy (proporcjonalny do ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla, czyli PaCO2) jest znacznie niższy, stosunek wodorowęglanu do kwasu węglowego przy normalnych wartościach fizjologicznych wynosi około 20 do 1, co podłącza się do równania i daje charakterystyczne pH bliskie 7,40. To, że ten bufor jest wyjątkowo mocny w porównaniu z innymi buforami fizjologicznymi, wynika z faktu, że jest to układ otwarty: obie strony równania mogą być niezależnie regulowane. Płuca kontrolują stronę kwasu węglowego, dostosowując ilość wydychanego dwutlenku węgla, a nerki kontrolują stronę wodorowęglanu, dostosowując jego reabsorpcję, generację lub wydalanie. Ta podwójna kontrola, jedna komponenta zarządzana szybkim ruchem oddechowym, a druga wolnymi zmianami nerkowymi, pozwala systemowi węglanowemu buforować znacznie więcej kwasów lub zasad niż przewiduje to sama jego koncentracja chemiczna, w przeciwieństwie do zamkniętego bufora, takiego jak fosforany.”]} pKa translates to

Kompensacja oddechowa: Płuca i dwutlenek węgla

Płuca zapewniają najszybszą regulowaną połowę systemu buforowego z wodorowęglanem, kontrolując PaCO2 – parciowy ciśnienie dwutlenku węgla we krwi tętniczej, zwykle utrzymywane między 35 a 45 mmHg. Ponieważ rozpuszczony dwutlenek węgla jest w bezpośrednim równowagowym stosunku z kwasem węglowym, zmiany w szybkości i głębokości oddychania wpływają na ilość wydalania dwutlenku węgla, co zmienia stężenie kwasu węglowego i tym samym pH niemal natychmiast. Chemoreceptory w rdzeniu przyusznej, wraz z obwodowymi chemoreceptorami w ciałkach wieńcowych i aorystycznych, stale monitorują poziom pH krwi i dwutlenku węgla oraz dostosowują tempo i głębokość oddychania odpowiednio. Jeśli krew staje się zbyt kwaśna, centra oddechowe wywołują szybsze i bardziej głębokie oddychanie, zwane hiperwentylacją, które wydala więcej dwutlenku węgla, obniża stężenie kwasu węglowego i podnosi pH w kierunku wartości normalnej. Jest to kompensacja oddechowa dla obciążenia metabolicznego kwasem. Z kolei, jeśli ktoś nadmiernie oddycha z przyczyn nie-metabolicznych, takich jak lęk, panika, ból lub mechaniczne wentylatory ustawione zbyt agresywnie, wydala się zbyt dużo dwutlenku węgla, kwas węglowy spada i pH krwi rośnie powyżej 7,45, powodując alkalozę oddechową. Dlatego też nadmierne oddychanie spowodowane lękiem może powodować zawroty głowy i drętwienie palców: wynikająca alkalozę zmniejsza dostępność jonizowanego wapnia na błonach nerwowych. Układ oddechowy może zareagować w ciągu kilku minut, czyniąc go najszybszym mechanizmem kompensacji fizjologicznej, choć może jedynie częściowo korygować pierwotne zaburzenie metaboliczne, a nie całkowicie normalizować pH.”]} pango:{

Kompensacja metaboliczna: Nerki i bikarbonat

Nerki zarządzają drugą połową równowactwa buforowego poprzez kontrolę bikarbonatu krwioplernianej, zwykle utrzymywanego w zakresie 22-26 mEq na litr. Komórki nerkowe przewody reabsorbują prawie całkowicie filtrację bikarbonatu, generując nowy bikarbonat poprzez metabolizm glutaminy i wydalanie amoniaku oraz wydzielają nadmiar jonów wodorowych do moczu, głównie buforowane tam przez fosforan i amoniak. W przeciwieństwie do płuc, które reagują w ciągu minut, nerki zajmują godziny lub dni, aby znacząco przesunąć poziomy bikarbonatu, ale ich zdolność do generowania nowego bikarbonytu (zamiast po prostu wymieniać istniejący bufor) czyni je niezbędnymi do korygowania zaburzeń gospodarki kwasowo-zasadowej, które trwają dłużej niż pojedynczy cykl oddechowy. Kiedy poziom krwi jest chronicznie zbyt kwaśny, nerki zwiększają wydzielanie jonów wodorowych i generują dodatkowy bikarbonat, aby podnieść bikarbonat krwioplernianej i przywrócić pH, co stanowi kompensację metaboliczną dla obciążenia kwasowego z powodu niewydolności oddechowej, często obserwuje się u pacjentów z przewlekłą chorobą płuc, którzy zatrzymują dwutlenek węgla. Kiedy poziom krwi jest chronicznie zbyt zasadowy, nerki wydalają więcej bikarbonytu do moczu, aby obniżyć bikarbonat krwioplernianej. Nerki są również głównym regulatorem w czysto metabolicznych zaburzeniach: takie jak ciężka biegunka (utrata bikarbonytu) lub cetoza cukrzycowa (nadprodukcja kwasu), bezpośrednio wyczerpują bikarbonat, a to generowanie bikarbonytu przez nerki, działające w połączeniu z kompensacją oddechową, stopniowo przywraca równowagę po leczeniu podstawowej przyczyny.”]} pango:{

paragraphs

Kliniczne Zaburzenia Kwasowo-Zasadowe: Cztery Wzorce

Lekarze klasyfikują zaburzenia kwasowo-zasadowe w cztery główne wzorce, opierając się na tym, który składnik – dwutlenek węgla czy bikarbonat – jest nieprawidłowy jako pierwszy, oraz na tym, czy układ równoważący reaguje. Zapalenie płuc z podwyższonym PaCO2 powyżej 45 mmHg występuje zwykle w wyniku niedohawrania oddechowego spowodowanego stanami takimi jak przewlekła obturacyjna choroba płuc, zatrucie opioidami lub ciężki dusznik; nerki reagują poprzez retencję bikarbonatu na przestrzeni dni. Zapalenie płuc z obniżonym PaCO2 poniżej 35 mmHg występuje w wyniku nadmiernego oddychania, wywołanego lękiem, bólem, gorączką, wysoką wysokością lub mechanicznym przepływem powietrza; nerki kompensują poprzez wydalanie bikarbonatu. Zaburzenie kwasowo-zasadowe metaboliczne występuje, gdy stężenie bikarbonatu w surowicy spada poniżej 22 mEq na litr, spowodowane nadprodukcją kwasów lub utratą bikarbonatu. Klasycznym przykładem jest ostre powikłanie cukrzycowe: bez wystarczającej ilości insuliny komórki nie mogą wykorzystywać glukozy, więc organizm rozkłada kwasy tłuszczowe na ketonasy (kwas acetyocetowy i β-hydroksybutyrowy), które zalewają krew, zużywają bufor bikarbonatowy i obniżają pH; płuca kompensują w ciągu kilku minut poprzez szybkie, głębokie oddychanie znane jako oddech Kussmaula, które usuwa nadmiar dwutlenku węgla, częściowo łagodząc obciążenie kwasowe. Zaburzenie kwasowo-zasadowe metaboliczne występuje, gdy stężenie bikarbonatu w surowicy wzrasta powyżej 26 mEq na litr, najczęściej spowodowane długotrwałym wymiotami (utratą kwasu żołądkowego) lub stosowaniem diuretyków; płuca kompensują łagodnym niedohawianiem. W praktyce lekarze wykorzystują pomiary gazometryczne krwi tętniczej – pH, PaCO2 i bikarbonat – aby zidentyfikować podstawowy zaburzenie i określić, czy kompensacja jest odpowiednia, brakuje jej lub sama wskazuje na drugie, mieszane zaburzenie.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Acid-Base Balance: The Bicarbonate Buffer System in Blood i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.